煤矿乏风低浓度甲烷氧化处理实验研究

【摘要】： 我国每年通过煤矿乏风排入大气的甲烷约为130-170亿m~3。甲烷的温室效应相当于二氧化碳温室效应的21倍,对臭氧的破坏能力是二氧化碳的7倍。由于煤矿乏风具有甲烷浓度低(＜0.1%)、富集难、气量大等特点,传统的处理方式是直接排空,这造成了严重的污染和温室效应。本文针对此现状,搭建了蓄热式氧化处理实验装置,并以热力计算和实验研究相结合的方法,研究了实验装置各方面的热力性质和规律。 本文研究了低浓度甲烷的自燃温度、温升等热力性质,并从能量平衡的角度对该技术实现的可能性进行了分析。在此基础上,把蓄热室沿气流方向的温度分布看成类似于间壁式换热器在相同条件下的温度分布,对乏风处理量为1000Nm~3/h的实验装置的蜂窝陶瓷蓄热室进行了热力计算和设计。 在热力计算的基础上,搭建了包含蓄热室的装置本体、换向系统、启动系统、测控系统的实验装置。以甲烷浓度范围为0.2%～1%的混合空气作为模拟乏风,燃烧器产生高温烟气预热蓄热室的燃气启动方式,对实验装置的可行性、蓄热室热力性质和氧化规律进行了探索。 本文还对单台处理规模10万Nm~3/h的乏风氧化及能量利用装置的经济性和投资回报率进行了计算和分析。 研究结果表明,该技术理论上可以实现,本文采用的热力计算方法对蓄热室的尺寸设计及装置搭建具有指导意义。在此基础上设计的实验装置在一定预热和浓度条件下能够实现稳定自维持运行。经济性分析的结果也表明,该技术具有巨大的环境效益,在有CDM项目支持的条件下,该技术的经济收益也十分可观,具有在全国乃至全球大规模推广的市场前景。 【关键词】：煤矿乏风 蜂窝陶瓷蓄热体 热力计算 实验研究 经济性分析
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TD712
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 目录7-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 研究背景和意义9-10
• 1.2 国内外煤矿乏风处理技术的现状和进展10-14
• 1.2.1 作为辅助燃料应用的技术10-11
• 1.2.2 作为主要燃料应用的技术11-14
• 1.2.3 总结14
• 1.3 本文的工作和研究内容14-17
• 1.3.1 计算研究15
• 1.3.2 实验研究15
• 1.3.3 大规模处理装置的经济性分析15-17
• 第二章 煤矿乏风氧化装置的工作原理17-27
• 2.1 实验装置的工作原理17-18
• 2.2 系统能量平衡计算18-20
• 2.3 乏风中低浓度甲烷的自燃温度和氧化时间20-24
• 2.3.1 乏风中低浓度甲烷自燃温度的计算20-22
• 2.3.2 乏风中低浓度甲烷的氧化时间22-24
• 2.4 乏风自燃后温升与CH_4浓度的关系24-25
• 2.5 本章小结25-27
• 第三章 蓄热室热力计算与设计27-38
• 3.1 设计目的27
• 3.2 设计规模27
• 3.3 计算原则27-28
• 3.4 基本计算公式28-31
• 3.5 计算结果31-37
• 3.5.1 计算说明31-32
• 3.5.2 计算结果32
• 3.5.3 结果分析32-37
• 3.6 本章小结37-38
• 第四章 乏风氧化装置实验研究及分析38-66
• 4.1 实验台介绍38-44
• 4.1.1 配气系统39
• 4.1.2 装置本体39-42
• 4.1.3 换向系统42-43
• 4.1.4 启动系统43
• 4.1.5 测控系统43-44
• 4.2 实验中温度测点的分布44-45
• 4.3 蓄热体冷态实验45-46
• 4.4 启动温度场的研究和分析46-53
• 4.4.1 启动功率的计算46-48
• 4.4.2 启动方式48
• 4.4.3 启动温度场的实验结果和分析48-53
• 4.5 模拟乏风氧化实验53-64
• 4.5.1 实验及结果分析53-61
• 4.5.2 散热损失计算61-64
• 4.6 本章小结64-66
• 第五章 单台处理能力十万Nm~3/h装置的经济性分析66-74
• 5.1 能量利用收益66-67
• 5.2 CDM收益67-68
• 5.3 远期推广收益68-69
• 5.4 投资回报率分析69-73
• 5.4.1 单台处理能力10万Nm~3/h的氧化装置的投资成本及回报率69-72
• 5.4.2 投资成本和甲烷转化率对回报率的敏感性分析72-73
• 5.5 本章小结73-74
• 第六章 总结与展望74-77
• 6.1 研究总结74-75
• 6.2 需进一步开展的工作75-77
• 参考文献77-80
• 个人简历80-81
• 致谢81

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